美國瀝青科技中心的專用試驗道路

美國瀝青科技中心(National Center for Asphalt Technology, NCAT)是由阿拉巴馬州奧本大學(Auburn University)與美國瀝青鋪面協會(National Asphalt Pavement Association, NAPA)的研究與教育基金會合夥於1986年創立,旨在提供實用的研究和開發以滿足維護美國公路基礎設施的需求。 NCAT 經由與州公路機構、聯邦公路總署和瀝青工業界合作,開發和評估新產品、設計技術和施工方法,以迅速改善路面,確保業界有能力提供耐久、永續、安靜、安全和經濟的路面。

美國瀝青科技中心專用測試道路空照圖

NCAT的專用試驗道路是開放由公路單位及瀝青工業界合作支助的專用路面試驗專案。該試驗道路為全長2.7公里(1.7英哩)的橢圓形車道,如圖1所示,區分為46個測試路段,每個路段長約為60公尺(200英呎),其中的26個測試段分布在兩個直線道部份,兩個曲線路段則各有10個測試路段。


圖1、美國瀝青科技中心的試驗車道及規劃的46個測試路段

NCAT試驗道路的實驗規劃以三年為一輪,每一輪分成三個期程,如圖2所示,每一輪的工作區分為三期:施工期、荷重輾壓期、及破壞調查評估期,第一個期程長約6個月,進行各測試路段路指定面層材料更新施工,第二個期程則開始荷載及鋪面回應及成效數據收集,也對各測試段施工期間取得廠拌試樣進行所需的實驗室試驗工作等。


圖2、NCAT測試道路實驗三年一輪的工作分三期說明

該專用測試道路採用的方法是掌握影響參數的加速破壞,也就是規劃影響參數的試驗路段以專用卡車牽引三重拖車荷載試驗道路,如圖3所示,4部同時以45mph速度每天17小時,每週6天,以達到二年內對測試路荷載一千萬標準單軸當量(ESALs)。有關專用測試道路的概念可參「如何評估不同鋪面材料的使用成效?」。

圖3、NCAT測試道路專用卡車牽引三重拖車照片

自2000年進行首輪NCAT試驗道路,在試驗車道固實的路基土層上鋪設相同的粒質底層及瀝青混凝土底層共厚約50公分,該輪的所有46個測試路面之斷面結構只有面層材料不同,也就是只探討不同瀝青面層材料的差異,包括超級鋪面配比設計的瀝青混合料、威氏配比設計的瀝青混合料、石膠泥瀝青混合料、及各種不同材質的粒料、和不同瀝青黏結料的組合。

第二輪於2003年執行,保留了2000年鋪築的26個測試路段斷面持續觀測在第二輪測試的成效,14個路段的斷面採用新的面層材料,而其中有8個路段變更成不同的鋪面結構設計,這8個路段稱為「結構路段(structural sections)」用作整個鋪面結構的設計分析,不只針對面層材料;結構路段的施工要移除原鋪面結構層,重新整建路基土壤後依序依照設計鋪上不同厚度粒質底層,以使得瀝青面層總厚度不同(5, 7, 9英吋);並安裝應變計、壓力鈑、及溫度感測器,以偵測鋪面結構層受壓及溫度變化時的不同反應。

第三輪於2006年執行,共更新22個測試路段,其中包括15個新的面層測試路段、5個結構探討路段、及2個重建結構斷面路段;有8個在2000年建的原始斷面路段保留,並且在此輪結束時累積荷載三千萬ESALs;而第二輪中的16個測試路段也完整保留且在此輪終了累積承載共二千萬ESALs。

第四輪於2009年執行,並於2012年完成,3個2000年建成的原始路段共累積四千萬ESALs;第二輪留下來的共9個路段(7面層成效,2結構探討)累積三千萬ESALs;第三輪保留的9個路段(8面層成效,1結構探討)累積三千萬ESALs;此輪共新鋪25個路段(12面層成效,13個結構探討);此輪總計16個結構探討路段及30面層成效試驗路段,其中21個是保留前一輪的路段。(可參「量化路面開裂及高刨除料含量再生與溫拌瀝青的成效比對」)

第五輪於2012年執行,並於2015年完成,這一輪的道路試驗可以說是最複雜的,在所有46個測試路段中有22個新的測試段,14個路段是第四輪保留的路段(包括所有綠群測試路段),6個路段則是第三輪保留路段,3個路段則是第二輪保留路段,2個路段則是2000年至今的原始路段。此輪啟動的「綠群測試路段(Green Group Experiment Sections)」是用來評估溫拌瀝青和再生材料的最佳化使用的路段(詳參以長壽鋪面設計概念優化再生材料在瀝青鋪面結構層的應用」)。這一輪其它主要的聚焦點是多孔性摩擦層(Porous Frition Courses, PFC )和廠拌冷拌再生(Cold Central Plant Recycling, CCPR)混合料,8個新的PFC測試路段和一段前期鋪設的PFC路段,三段全新的結構探討路段用來評估用在底層的CCPR混合料。

第六輪於2015年執行,並於2018年完成,本輪持續保留測試2個2000年至今的原始路段,一個2003年至今的面層材料測試路段,三個2006年鋪設的高RAP含量路段,三個路段是在2009年用裂縫封填修補後加鋪高摩擦表面的路段,18個前一輪保留路段,及19個新的測試路段。這19個新的測試路段中,有9個路段是將舊瀝青層都移除,在原有粒質底層上鋪築新的瀝青混合料結構設計層,其中的7個段路面是要作為開裂群試驗評估與工地實際狀況是搭配的實驗室開裂試驗用(開裂群試驗段Crack Group Experiment Sections,可參「美國瀝青科技中心探究瀝青面層抗開裂能力及檢測方法」)。剩餘的10個新的測試路段中,有4個面層成效路段,4個鋪面保養工法(薄加鋪及碎石封層)評估路段,2個路段分別為高摩擦薄加鋪和微鋪面。(這一輪開始與MnRoad簽署聯合研究,有同樣鋪面結構的測試路段分別在MnRoad和NCAT測試道路上,分別代表北方和南方兩個不同氣候帶的差異,除了用來評估不同開裂測試方法的適用性,也評估不同鋪面保養工法的成效。(有關MnRoad可參「美國明尼蘇達州建立的試驗道路」)

第七輪於2018年執行,持續與MnRoad合作聚焦在鋪面保養工法和開裂群試驗評估(Crack Group Experiment Sections),也增加聚焦在平衡配比設計及再生劑的測試。鋪面保養工法探究的目的是要能區分並且量化不同保養工法的延壽功效和成效提昇功效,這些不同的保養工法對不同狀況的鋪面在美國南方及北方的功效也有可能不同,這些測試路段的成果對保養工法的選用指引,甚至是施工規範都將有助益。與實際路面成效最相關的實驗室開裂試驗的選定,則是開裂群測試路段的主要評估目的。在本輪新增的BMD相關測試路段中,有一個州公路局支助的測試段是比對以體積特徵為主的超級鋪面設計與BMD設計兩種混合料的實際成效差異,其它州公路局支助的測試段則聚焦在建構實施BMD時需要的成效界限值。(有關BMD可參「在鋪面疲勞開裂與車轍變形兩種成效間取得平衡」)再生劑的實際路面成效方面,則包括加在熱拌再生瀝青混合料中的再生劑,以及直接播撒在舊路面上的再生劑。這一輪總共有重建或重鋪了18個測試路段,28個路段則是上一輪的保留測試段,其中有2個測試段是2000年至今的原始路段。

公路機構利用在NCAT道路試驗的研究來增進材料施工規範,提昇施工技術及改進鋪面設計。NCAT將這些成果公開,對全球瀝青路面工程技術的提昇產生巨大的影響,貢獻卓著,讀者可以自行下載這些成果報告吸收其中的精髓。作者只舉一有趣的成果為例說明如下:

鋪面結構設計採用的瀝青混凝土層係數:鋪面設計的指引主要源自上世紀50年代末執行的AASHTO道路試驗成果,以試驗路面的成效經驗,建立路面服務性、交通荷重承載量、及路面結構能力之間的關係;路面當構能力則以將路面結構各層厚度乘上該層材料的層係數後累加稱為結構數。由阿拉巴馬州公路局支助的測試路段在第二輪和第三輪實驗重新檢視瀝青混凝土的層係數,以不同的瀝青路面層厚度、混合料類型、底層、及路基。該測試路段的成果,建議將瀝青混凝土的結構層係數(a1)從0.44提高到0.54。這18%的提高量直接反映18%厚度降低量,阿拉巴馬州公路局從2010開始在鋪面結構及加鋪設計採用,預估每年可省約2,500至5,000萬美元。(有關瀝青混凝土的結構層係數可參「鋪面工程概論」)

美國瀝青科技中心專用試驗道路成果報告下載:NCAT Test Track Reports



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